直接称量法的系统误差来源与处理

・６２－　中国水土保持ＳＷＣＣ　２０１２年第ｌＯ期　直接称量法的系统误差来源与处理　牛俊，周　若，高　强　（长江水利委员会长江科学院，湖北武汉４３００１０）　［关键词］泥沙监测；直接称量法；系统误差；误差处理　［摘要］直接称量法常用于野外泥沙监测。由于系统误差的存在，导致直接称量法所得的测量结果不准确。通过分析　直接称量法的系统误差来源，提出系统误差处理方法，并采用此方法进行了径流含沙量的修正计算，结果表明：直接称量　法系统误差来源于仪器制造偏差，可采用替代法消除系统误差。经计算验证，修正后的径流含沙量计算结果较未修正的　数据更为合理，说明采用替代法消除系统误差的做法是可行的。　［中图分类号］Ｐ３３３．４　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１０００—０９４１（２０１２）１０—００６２—０２　土壤侵蚀量指标是水土保持监测的重要内容，含沙水样采　集与分析是进行土壤侵蚀量计算的主要依据之一，通过采集径　流泥沙样品，分析径流泥沙含量，可推算出研究区内次降雨造　成的土壤侵蚀量。　出：测量得到的径流样品质量小于其体积。由质量与体积的关　系式Ｐ＝Ｍ／Ｖ可知，当Ｍ＜Ｖ时，Ｐ＜１　ｇ／ｅｍ　。从理论上讲，径流　样品由水和泥沙两部分组成，Ｐ　＝１　ｇ／ｅｍ　＞１　ｇ／ｅｍ　，径流样　品密度值应为＞１的数值，即Ｍ＞Ｖ，而实际测量结果却与理论　值相反。进一步分析，将上述实测值代人式（１）、（２）中，分别取　Ｐ　＝１　ｃｍ　、Ｐ　＝２．６５　ｇ／ｃｎｌ　，计算得到该径流样品含沙量为负　值（一０．０２２　ｇ／ｍＬ），显然有悖常理。　表１泥沙样品测量结果　径流样品体积（ｍＬ）　９６．３　９５．１　９３．６　９５．２　烘干法是常用的泥沙样品分析方法，也是水土保持监测技　术规程中推荐的泥沙监测方法…，该方法是通过高温加热使径　流中的水分全部蒸发，然后分析样品烘干前后的质量，从而得　到径流中的泥沙含量。随着电子天平的使用，称重精度有了大　幅度的提高，采用烘干法测量径流泥沙量被认为是目前最准确　的方法之一　。但是，由于烘干法需对待测样品进行长时间的　烘干，需加热１１　ｈ左右，烘干温度一般为１０５　ｏＣ，对加热时间和　烘干温度的要求使得整个测量过程费时费力，不能适应野外有　限条件下进行泥沙快速监测的需要，因而在野外监测时一般采　径流样品质量（ｇ）　９４．９　９３．７　９２．５　９３．９　用直接称量法　Ｊ。系统误差的存在，使得采用直接称量法所获　得的观测结果不甚准确。鉴于此，分析直接称量法的系统误差　来源，提出具有针对性的误差消除方法，对于推广直接称量法　在泥沙监测中的应用具有重要意义。　１直接称量法介绍　之所以出现上述不合逻辑的情况，是因为系统误差的存　在。系统误差的来源有以下几个方面：①仪器误差。由于仪器　本身的缺陷或未按规定条件使用仪器而造成的误差。②理论　误差。由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或试验条件　不能达到理论公式所规定的要求、试验方法本身不完善所带来　的误差（又称方法误差）。　直接称量法是以物质的基本物理性质——体积、质量、密　度为基础的，而这些物理量是已知的或是可以通过量测直接得　到的，无需通过理论公式推导，也就不存在理论误差，那么系统　（１）　直接称量法是将采集到的径流样品进行称重和体积量测　后通过计算得到径流中泥沙含量的方法。具体操作方法是：测　量径流样品的体积和质量，代人下述方程组中求得径流中的泥　沙质量，进而得到径流含沙量。　＋Ｍｗ：Ｍ　误差的来源即为仪器误差。电子秤和量筒是直接称量法所使　用的仪器，因设备制造偏差的存在，导致量筒读数偏大、电子秤　读数偏小或两种情况并存，产生了上述数据测量的偏差。　２．２　系统误差的处理方法　／ｐ　＋　／ｐ　＝Ｖ　Ｐ　、ｐ　分别为泥沙密度和水的密度，ｇ／ｅｍ　。　（２）　上二式中：Ｍ。、Ｍ　分别为径流样品中泥沙质量和水的质量，ｇ；　直接称量法所使用的设备为电子秤和量筒，所用设备简　单，测量快速，操作简便，适合野外观测时使用。　２直接称量法的系统误差来源及处理方法　２．１系统误差来源　在无法确定测量偏差具体来源的情况下，可采用替代法消　除仪器制造偏差对测量结果的影响，即：采用同一套仪器（保证　误差来源及大小一致），通过测量、计算得到水和泥沙密度的测　量值，并用测量值代替真实值进行含沙量计算。具体操作方法　如下：①水密度测量值获取。在量筒中加水（径流样品澄清后　的上清液），测量其质量和体积，根据密度公式Ｐ＝Ｍ／Ｖ求得水　表１为北海原油商业储备基地建设工程水土保持监测过　程中采集的某径流样品质量及体积测量数据。从表１可以看　牛俊等：直接称量法的系统误差来源与处理　的密度测量值ｐ　。②泥沙密度测量值获取。测量并记录量筒　・６３・　由式（１）、式（２）计算出系统误差处理前后上述径流样品泥　质量（　），在量筒中加入适量的水（径流样品澄清后的上清液）　测量并记录其体积（　）和质量（　），将充分研磨散碎后的泥　沙风干样品加入上述水样中（加入量以＞１０　ｇ为宜），测量并记　录体积（　）和质量（　），通过式Ｐ　＝（Ｍ２一　一Ｏｔ）／（ｖ２一　）　计算得到泥沙密度测量值Ｐ　。③径流含沙量计算。用ｐ　和Ｐ　代替式（２）中的Ｐ　和Ｐ。计算径流含沙量。　３应用实例　３．１　水、泥沙密度测量值　用同一套电子秤和量简对北海原油商业储备基地建设工　程水土保持监测过程中采集到的某径流样品上清液体积和质　量进行测量，结果如表２所示。　袁２径流样品测量结果　体积（ｍＬ）　质量（ｇ）　９３．７　９１．６　９４．５　９２．６　９３．０　９１．３　９９．５　９７．７　由表２数据可计算出水的密度测量值为ｐ　：０．９８０　３　ｇ／ｃｍ　。　将沉淀后的上清液注人量筒并称重，记录其体积和质量，　之后向其中加人泥沙样，记录加样后的体积和质量，结果如表　３。　表３泥沙样品测量结果　泥沙样品测量结果显示：加样前后体积变化量为８　ｍＬ，质　量变化量为１９．１　ｇ，则泥沙密度测量值为ｐ　２．３８７　５　ｃｒｎ３。　３．２径流含沙量　表４为北海原油商业储备基地建设工程径流小区２０１１年　５月份部分场次降雨后的径流样品观测数据，其中５月１３日雨　后径流池中淤积的泥沙较多，表中数据为径流池中上层水样数　据，未包含池底淤积的泥沙。　表４泥沙监测数据　沙含量的结果见表５。　表５径流含沙量计算结果　从径流含沙量计算结果可见，在进行系统误差处理之前，　编号为２０１１０５０３和２０１１０５０８的径流样品含沙量数据为负值，　有悖常理，经系统误差处理后，所得径流含沙量数据均为正值，　且数据合理。　４结果与讨论　直接称量法所用仪器设备简单，操作简便快捷，常用于野　外径流泥沙监测。由于仪器制造偏差问题，直接称量法不可避　免地会产生系统误差，使该方法在具体应用中获得的监测结果　出现偏差甚至出现测量结果有悖常理的情况。直接称量法的　系统误差可采用替代法进行处理，经计算验证，应用替代法消　除系统误差的做法是可行的。　因野外观测条件所限，无法对直接称量法测量结果与烘干　法测量结果进行比较，也就无法得知应用直接称重法所获得监　测结果的准确性，因此今后还需对直接称量法监测结果的准确　性做进一步研究。需要指出的是，应用直接称量法进行径流泥　沙监测时，由于径流样品中含有泥沙，比较浑浊，所以会影响体　积读数的准确性，可静置一段时间，待量筒中径流样品出现较　清晰的凹液面后再进行读数。　［参考文献］　［１］ＳＬ　２７７－－２００２，水土保持监测技术规程［Ｓ］．　［２］Ｇｕｙ　Ｂ　Ｔ，Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ　ｗ　Ｔ，Ｕｕｄｒａ　Ｒ　Ｐ．Ｔｈｅ　ｒｏｌｅｓ　ｏｆ　ｒａｉｎｆａｌｌ　ａｎｄ　ｒｕｎｏｆｆ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｒｉｌｌ　ｆｌｏｗ　［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ　ＡＳＡＥ，１９８７，３０（５）：１３７８—１３８６．　［３］高佩玲，雷廷武，赵军，等．坡面侵蚀中径流含沙量测量方　法研究与展望［Ｊ］．泥沙研究，２００４（５）：２８—３３．　［作者简介］牛俊（１９８３一），男，甘肃白银市人，工程师，硕士，　主要从事开发建设项目水土保持监测工作。　［收稿日期］２０１２—０６～３０　（责任编辑赵文礼）